煤矿生活废水提标改造工程实例

张卿监

（南乙环境工程（上海）有限公司，上海 200120）

“十八大”以来，绿色发展理念逐步深入人心，矿业全面落实“五位一体”总体布局，坚持“两山理论”，积极贯彻落实新发展理念，推动全面建设绿色矿山[1]。在我国现有的能源结构中，煤在其中占据着举足轻重的地位[2]。然而，不容忽视的是煤矿所处的地理位置往往比较偏远，煤矿严重缺水和严控污水外排，践行“两山理论”的问题亟待解决。煤矿区生活污水来源复杂，主要特征为C/N 低、水中富含大量表面活性剂和污水含油量高等[3]；同时，由于煤矿区的工作性质，污水往往存在短时负荷冲击大的现状，对相关污水厂处理工艺的抗冲击负荷能力提出了极高的要求。

因公司发展需要和现行相关法律法规的要求，山西某煤矿拟将厂区内主广场生活污水站提标改造，改造完成后用于处理整个厂区的生活污水。根据现场勘察情况和水质要求，利旧污水处理池为地下钢筋混凝土结构，新增缺氧罐、好氧罐、沉淀池为地上碳钢结构，处理后的出水达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水标准后回用。

1 生活污水处理站提标改造

1.1 提标改造主要建设内容

主要处理构筑物有格栅井（利旧改造）、调节池（利旧改造）、厌氧池（利旧改造）、新增地上碳钢缺氧池、新增地上碳钢好氧池、MBR 池（利旧改造）、新增地上碳钢沉淀池、清水产水池（利旧改造）、污泥池（利旧改造）、风机房、新建轻钢结构加药间、新建钢结构好氧车间、新建钢结构缺氧车间、污泥脱水间（利旧改造）、值班室（利旧改造）、配电室（利旧改造）等。

1.2 提标改造污水处理设计基础

1.2.1 设计水量

本次提标改造工程拟将该生活污水处理站处理能力由500 m3/d 扩容到1 000 m3/d，出水水质由一级A 提标至地表Ⅳ类。但结合煤矿生活污水短时负荷冲击大的现实，本工程设计处理能力Q=50 m3/h、总处理量Qd=1 200 m3/d，系统运行时间24 h 连续运行。

1.2.2 出水水质要求

根据本次提标改造业主方要求，处理后的污水执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水标准，主要限值见表1。

表1 系统产水水质表

1.3 煤矿生活污水处理工艺流程

采用A2O+MBBR+MBR 处理工艺作为本次提标改造的处理工艺，工艺流程见图1。

图1 煤矿生活污水处理工艺流程图

2 主要构、建筑物及设备选型

2.1 格栅井

格栅井作为接纳整个煤矿生物污水的来水渠道，在其中放置了两套转鼓格栅，一用一备，并将集水井与其共建。格栅井采用钢混结构，主要设计参数为：设计流量Q=50 m3/h，渠宽480 mm，渠深4 300 mm；转鼓格栅的主要功能为截除污水中漂浮物，本工艺中采用FUELMICRO 的回转格栅，设计参数为宽B=480 mm，栅隙b=5 mm，格栅倾角70°，渠深4.3 m，功率1.1 kW。而回转式机械格栅工作原理是在电机减速器的驱动下，耙齿链进行逆水流方向回转运动。耙齿链运转到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对自清运动，绝大部分固体物质靠重力落下。另一部分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清扫干净[4]。

2.2 调节池

经过格栅井处理后的来水首先进入调节池均质均量，配置搅拌系统，目的保证系统进水稳定，减少水量和水质波动带来的冲击。本次提标改造过程中，将原来调节池2 座、复用水池1 座、中间水池1 座、水解池1 座，二级滤池1 座改造为调节池；设计停留时间为12 h，同时内设可提升曝气器6 个、调节池提升泵4 台（2 用2 备）、在线液位计1 套（液位指示，与提升泵控制连锁）、电磁流量计1 套（提升泵流量指示及累计）。

2.3 A2/O 生化池

A2/O 脱氮除磷工艺，即厌氧-缺氧-好氧活性污泥法，也称A-A-O 工艺，它是在A2/O 除磷工艺基础上增设了一个缺氧池。并将好氧池出流的部分混合液回流至缺氧池，该工艺具有降解有机物，降低废水COD、BOD5、NH3-N 的功能[5]。A2/O 生化池的主要设计参数为：外形尺寸3 m×3 m×6.5 m，A 池6 座、O 池10 座；设计停留时间t=18 h，同时内设混合液回流泵2 台（设计参数Q=170 m3/h，H=10 m，N=7.5 kW）、曝气风机2 台（设计参数Q=6.1 m3/min，P=60 kPa，N=11 kW）、潜水搅拌机6 台（设计参数N=1.1 kW，配套导杆及起吊装置）和缺氧提升泵2 台（1 用1 备，设计参数Q=50 m3/h，H=15 m，N=3 kW）。同时，本次提标改造工程中将O 池与MBBR 流化床工艺相结合，本设计采用广泛、成熟可靠的内循环式三相生物流化床，具有流动阻力小，减少供气量从而降低运行费用；反应器起始流化容易，降低了操作难度；同时由于结构紧凑，可减少所占空间及地面[6]。通过前期实验（表2），最终确定选取MBBR 填料并将其填充率设置为30%（设计参数堆积密度100 kg/m3，孔隙率＞85%）。

2.4 二沉池

二沉池的主要功能为将生化系统出水进行泥水分离，同时将沉淀后的部分污泥回流至调节池，补充生化系统中的污泥量。二沉池采用碳钢结构，主要设计参数为6.5 m×2.2 m×3.5 m、同时内设2 台气动隔膜泵（1 用1 备）。

2.5 MBR 膜池

由于煤矿工人的饮食结构属于高油结构饮食，所以生活污水的含油量很高，故在二沉池后需要加一组MBR 膜池。MBR 膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）是将膜分离技术和生物反应器的生物降解作用集于一体的生物反应系统[7]。该系统具有处理能力强、固液分离效率高、出水水质好、占地空间小、运行管理简单等特点[8]。MBR 膜池中设置清水池1 座（设计尺寸5.7 m×4.5 m×4.5 m，设计停留时间2 h），其中包含MBR 膜组2 组（设计参数膜面积2 700 m2，膜通量18.5 L/m2，材质为PVDF 中空纤维膜）、MBR 产水泵2 台（1 用1 备、设计参数Q=60 m3/h，H=12 m，N=5.5 kW）、MBR 反洗泵2 台（1 用1 备、设计参数Q=100 m3/h，H=6 m，N=7.5 kW）、MBR 风机2 台（1 用1 备、设计参数Q=13 m3/min，H=40 kPa，N=15 kW）。

2.6 污泥处理系统

污泥处理系统中设置一座污泥池，主要功能为污泥储存、提升至板框压滤机处理，设计参数为3.6 m×2.7 m×4.5 m。内设气动隔膜泵2 台（1 用1 备）、XMGZ30/800-U 板框压滤机1 台。

3 运行效果分析

3.1 原水水质分析

原水水质波动较大，这与之前所述煤矿废水水质的典型特征一致。其中具有明显波动的污染物种类为化学需氧量COD、生化需氧量BOD5与总磷TP，进水质量浓度分别为403.42 mg/L±52.95 mg/L、153.42 mg/L±24.86 mg/L 和4.28 mg/L±0.45 mg/L，波动比例达到了13.12%、16.20%和10.61%；其余水质指标氨氮和总氮亦有明显波动，进水质量浓度分别为6.43 mg/L±0.56 mg/L 和15.00 mg/L±1.32 mg/L，波动比例为8.7%和8.85%。推测出现这种波动的主要原因为，煤矿主要实行倒班制，极易出现峰谷用水现象。

3.2 A2/O 处理效果分析

污水经过厌氧/缺氧/好氧交替后最终由好氧端出水，出水污染物指标COD、BOD5、氨氮、总磷和总氮分别为54.08 mg/L±9.24 mg/L、18.24 mg/L±1.68 mg/L、0.50 mg/L±0.03mg/L、2.22 mg/L±0.14mg/L、13.54 mg/L±1.23 mg/L，去除率分别为86.59%、88.11%、92.20%、48.10%和6.63%。表明该段工艺对COD 和氨氮去除效果明显，去除率基本接近90%左右，但对TP 和TN的去除率表现则一般，推测主要原因是进水COD 不足，而聚磷菌和反硝化菌在竞争中处于相对劣势。

3.3 MBBR 处理效果分析

MBBR 段出水污染物指标COD、BOD5及氨氮、总磷和总氮质量浓度分别为26.23 mg/L±3.02 mg/L、8.11 mg/L±0.60 mg/L、0.49 mg/L±0.02 mg/L、1.57 mg/L±0.22mg/L、6.43 mg/L±0.72 mg/L，去除率分别为93.49%、94.71%、92.24%、63.28%和55.59%。经过MBBR 段的处理后TP 和TN 的去除率有明显的上升，推测其原因为MBBR 膜的层状结构构建处理外部好氧、内部厌氧的结构，在该部分中，聚磷菌和反硝化菌在MBBR 填料上分区定殖，在不同含氧量的地方分别进行不同种的污染物去除。

3.4 MBR 处理效果分析

MBR 段出水污染物指标COD、BOD5及氨氮、总磷、总氮质量浓度分别为7.65 mg/L±1.76 mg/L、3.77 mg/L±0.77 mg/L、0.05 mg/L±0.002 mg/L、0.24 mg/L±0.05 mg/L、1.45 mg/L±0.30 mg/L，去除率分别为98.10%、97.54%、99.23%、94.47%和89.95%。经过MBR 段处理后的污水已经稳定达到了《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水标准。同时，该部分由于采用了PVDF 中空纤维膜，避免了传统MBR 膜生物反应器需要频繁清洗的问题，产水能耗低，不需投加混凝剂，助凝剂等化学药剂，降低了运行成本[9]。同时强化了污水处理效果，对煤矿污水处理的提标改造具有明显的助力。同时，浸没安装在膜生物反应池中的MBR 膜装置对泥水混合液进行过滤处理，进一步去除SS、油、大肠杆菌等。见图2。

图2 煤矿生活废水污染物去除效果

4 运行经济性分析

4.1 运行电费分析

经过提标改造后的污水处理电气化设备电机功率如表3 所示。

表3 污水处理部分电机功率表

根据表3 所示，本项目电机装机功率约219 kW，运行功率147 kW，电费运行费用为每吨水2.35 元（电费按1 元/kW·h 计）。

4.2 药剂运行成本

运行过程中需要使用的药剂主要集中为PAC、PAM、NaOH、葡萄糖、除磷剂和阳离子PAM，其作用与价格如下所示：

1）PAC：PAC 的投加量为100 mg/L，PAC售价为4 元/kg，每吨废水的PAC 费用为每吨水0.400 元；

2）PAM：PAM 的投加量为5 mg/L，PAM 售价为40 元/kg，每吨废水的PAM费用为0.200 元；

3）NaOH：由于本项目用于pH 调节药剂用量极少，预计每吨废水药剂费用约0.200 元；

4）葡萄糖：用于补充碳源，预计每吨废水药剂费用约0.40 元；

5）除磷剂：预计每吨废水药剂费用约0.50 元；

6）阳离子PAM：脱泥用，预计每吨废水药剂费用约0.20 元。

每吨废水处理费用总计为1.9 元。

5 结论

1）选择A2O+MBBR+MBR 的组合工艺作为本次提标改造的主体工艺，充分发挥各种工艺的技术优势，《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水标准；

2）通过运行经济性分析，从电费与药剂成本考虑，吨水电费成本达到2.35 元（电费按1 元/kW·h 计），药剂成本为吨水1.9 元；

3）提标改造后，处理过的污水可回用至煤矿的生产用水，可有效缓解煤矿缺水的状况；同时，污水零排放也符合国家政策导向性，具有示范作用；

4）本工艺各处理单元充分利用了原有设备，改造后的处理设备集成度高，自动化程度高，可有效提高处理效率与运行成本。